المواد المتعددة ferroic في درجة حرارة الغرفة قد تمهد الطريق للحوسبة منخفضة الطاقة

طور فريق من الباحثين في جامعة رايس نسخة جديدة من مادة متعددة ferroic معروفة تُظهر أداءً أعلى بكثير في درجة حرارة الغرفة مقارنة بمادتها الأصلية. تكشف هذه الدراسة الرائدة، التي نُشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، عن نسخة معدلة من بيسموث فيريت التي تُظهر زيادة بمقدار عشرة أضعاف في المغنطة وزيادة بمقدار مئة ضعف في الاقتران المغناطيسي الكهربائي مقارنة بالأنواع القياسية. تضمنت عملية التخليق خلط بيسموث فيريت مع بايروم تيتانات أثناء نمو المادة كفيلم رقيق على ركيزة تشوه هيكلها البلوري. أكد لين مارتن، عالم المواد في رايس ومؤلف الدراسة الرئيسي، على جدّة نهجهم، قائلاً: "لم يسبق لأحد أن قام بضبط كلا العنصرين - الضغط والكيمياء - في وقت واحد." أدت هذه المجموعة المبتكرة من نظامين ماديين مختلفين إلى مادة جديدة بخصائص فريدة. إن تداعيات هذا البحث مهمة، حيث تعتمد الحوسبة الحديثة بشكل كبير على التلاعب بتدفق الإلكترونات، وهي عملية وصلت إلى حد الكفاءة في الأنظمة القائمة على السيليكون. أشار مارتن إلى التحديات الطاقية الملحة التي تواجهها الإلكترونيات اليوم، متوقعًا أنه في غضون السنوات الخمس إلى العشر القادمة، قد تستهلك الحوسبة ما يصل إلى ربع أو ثلث جميع الطاقة المولدة، وهو أمر غير مستدام. لمعالجة هذه القضية، يستكشف علماء المواد طرقًا جديدة لاستخدام خصائص إضافية للإلكترونات وجسيمات أساسية أخرى لأغراض الحوسبة. أحد الطرق الواعدة هو التحكم في دوران الإلكترون، وهي خاصية مغناطيسية قد تؤدي إلى طرق حوسبة أكثر كفاءة. تتمتع المواد المتعددة ferroic، كما يوحي الاسم، بعدة معلمات ترتيب، بما في ذلك الفيروكهربائية والمغناطيسية. هذه المواد مثيرة للاهتمام بشكل خاص بسبب الاقتران بين خصائصها الكهربائية والمغناطيسية، المعروف باسم المغناطيسية الكهربائية. تتيح هذه الظاهرة لمجال كهربائي التأثير على مغناطيسية المادة والعكس صحيح، مما قد يمكّن من إجراء عمليات الذاكرة والمنطق باستهلاك طاقة أقل بكثير. ومع ذلك، كانت التحديات تتمثل في العثور على مادة واحدة تُظهر خصائص فيروكهربائية ومغناطيسية قوية في درجة حرارة الغرفة. لقد كانت بيسموث فيريت مرشحًا لسنوات، لكن مغناطيسيتها كانت محدودة بسبب إلغاء اللحظات الذرية. أدى إضافة بايروم تيتانات، وهو مكون غير مغناطيسي، جنبًا إلى جنب مع الضغط المصمم بعناية، إلى زيادة غير متوقعة في مغناطيسية المادة الجديدة مع الحفاظ على خصائص كهربائية قوية. عبرت تاي يون كيم، باحثة ما بعد الدكتوراه ومؤلفة الدراسة الأولى، عن دهشتها من الزيادة الكبيرة في المغناطيسية، قائلة: "لم أتوقع مثل هذه الزيادة الكبيرة في المغناطيسية." قام فريق البحث بإجراء تحقق شامل من نتائجهم، حيث قضوا أكثر من ستة أشهر في صنع واختبار العينات لضمان إمكانية إعادة إنتاج النتائج. يبرز هذا النهج الدقيق تعقيد قياس الخصائص المغناطيسية في الأفلام الرقيقة. تم دعم البحث من قبل منظمات مختلفة، بما في ذلك مكتب أبحاث الجيش ووكالة العلوم الوطنية الأمريكية. لا تبرز النتائج فقط إمكانيات مادة متعددة ferroic جديدة، ولكنها تقترح أيضًا استراتيجية أوسع لإنشاء مواد متعددة ferroic جديدة من خلال دمج الكيمياء والضغط لتطوير هياكل بخصائص غير متوقعة. قد يمهد هذا الاكتشاف الطريق لتصميم مواد مستقبلية، خاصة في مجال الحوسبة منخفضة الطاقة.